[論文レビュー] Revisiting Fast Practical Byzantine Fault Tolerance

Ittai Abraham, Guy Golan Gueta+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 15被引用数 46

ひとこと要約

この論文は、4レプリカ、1〜2回のビュー変更という最小限の条件下で、2つの代表的なオプティミスティックByzantine Fault Toleranceプロトコル（ZyzzyvaとFaB）に深刻な安全面およびライブネス上の欠陥を特定している。Zyzzyvaでは、矛盾するprepareメッセージにより安全でない決定が許容されるのに対し、FaBのパrameterizedバージョンでは、一貫性のない進捗証明書によりビュー変更中に凍結してしまうことが示された。これにより、Fast-pathの保証が無効化される。

ABSTRACT

In this note, we observe a safety violation in Zyzzyva and a liveness violation in FaB. To demonstrate these issues, we require relatively simple scenarios, involving only four replicas, and one or two view changes. In all of them, the problem is manifested already in the first log slot.

研究の動機と目的

• オプティミスティックByzantine Fault Toleranceプロトコル、特にZyzzyvaとFaBにおける深刻な安全面およびライブネス違反を特定・示すこと。
• これらの欠陥が、4レプリカと1〜2回のビュー変更という単純な状況でも発生することを示すこと。
• FaBのパrameterizedバージョン（PFaB）が、一貫性のない進捗証明書により、進捗が停止する可能性があることを証明すること。これにより、Fast-pathのライブネス保証が損なわれる。
• オプティミスティックパスが本質的にメインプロトコルから完全に分離可能であるという仮定を疑問視すること。
• 現在の高速Byzantine合意プロトコルのうち、最適なステップ複雑性、レジリエンス、1/3未満の故障下での安全面、部分的同期における進捗を同時に満たすものが存在しないことを強調すること。

提案手法

• ZyzzyvaとFaBのビュー変更メカニズムを分析し、特に新しいリーダーが進捗証明書を用いて以前のビューの値を採用する方法に注目する。
• 4レプリカ（1 Byzantine）と1〜2回のビュー変更を伴う最小限の悪意あるシナリオを構築し、安全面およびライブネス違反を引き起こす。
• FaBのパrameterizedバージョン（PFaB）において、進捗証明書に矛盾するprepare値と異なる値のcommit証明書が含まれる可能性があることを示し、これによりいかなる値も保証されない状態が生じることを示す。
• PFaBの進捗証明書検証ルールが失敗する理由を同定し、証明書が2つの矛盾する値の両方を保証しない場合、デッドロックが発生することを明らかにする。
• クォーラムの交差性とByzantineクォーラムの性質に基づく形式的推論を用い、プロトコルが基本的安全性およびライブネス条件を満たさないことを示す。
• PFaBの補題7（証明書による保証に関する）の誤りが、Fast-pathの主な正しさの主張を無効にしていることを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4レプリカと1回のビュー変更という最小限の条件下で、Zyzzyvaに安全面の違反が生じ得るか？
• RQ2 進捗証明書が一貫性のない場合、FaBのパrameterizedバージョン（PFaB）はビュー変更中にライブネスを維持できるか？
• RQ3 PFaBの進捗証明書メカニズムは、リーダー交換時に少なくとも1つの値が保証されることを保証するのに十分か？
• RQ4 Fast-pathとリカバリーパスが完全に統合されていない場合、オプティミスティックFast-pathを持つプロトコルがByzantine環境下で安全かつライブであることは可能か？
• RQ5 ビュー内で正しいリーダーが存在しない場合、矛盾するprepareメッセージとcommit証明書によりPFaBがデッドロックに陥るか？

主な発見

• Byzantineリーダーが矛盾する値を事前に提案し、正常なレプリカがそれを受け入れる場合、Zyzzyvaでは1回のビュー変更でも一貫性のない決定が生じる安全面の違反が発生する。
• FaBのパrameterizedバージョン（PFaB）では、進捗証明書に2つの新ビューメッセージが含まれ、そのうち1つが矛盾するprepare値、もう1つが異なる値のcommit証明書である場合、プロトコルが凍結する。
• 証明書がいかなる値も保証しないため、プロトコルは進捗を示さない。これは、f+t+1個の矛盾するprepareメッセージと矛盾するcommit証明書が存在するため、保証条件が満たされないからである。
• 欠陥はPFaBの補題7に起因し、すべての進捗証明書が少なくとも1つの値を保証すると誤って仮定しているが、実際にはどの値も保証されない場合がある。
• f=1、t=0、n=4の状況でも問題が生じるため、大規模システムや複雑な障害パターンに依存するものではない。
• 本論文は、現在の高速Byzantineレプリケーションプロトコルのうち、最適なステップ複雑性、レジリエンス、1/3未満の故障下での安全面、部分的同期における進捗を同時に満たすものが存在しないと結論づける。